第1章
绪 论
[本章导言 ] “土壤侵蚀原理 ”课程是高等院校水土保持与荒漠化防治专业本科生的一门核心骨干性专业基础课程.其在水土保持科学中具有十分重要的地位.土壤侵蚀破坏土地、吞食农田、降低土壤肥力、加剧土壤干旱、淤积抬高河床、加剧洪涝灾害发生等.土壤侵蚀是制约山区、丘陵区和风沙区经济发展的主要问题之一.也是国内外水土保持与荒漠化防治科学研究人员普遍关注的生态环境问题.
11 课程性质及使用对象
本书是高等院校水土保持与荒漠化防治专业本科生学习 “土壤侵蚀原理 ”课程所使用的主要教材.“土壤侵蚀原理 ”是高等院校水土保持与荒漠化防治专业本科生的一门核心骨干性专业基础课程.通过本课程学习主要使学生具备土壤侵蚀基本知识、认识土壤侵蚀基本规律.并掌握水土资源管理、土壤侵蚀监测、调查和评价的基本技能 (基本知识、基本规律和基本技能).同时为该专业本科生后续课程的学习.如流域管理学、荒漠化防治工程学、林业生态工程学和水土保持工程学等专业课程.以及今后独立从事水土保持与荒漠化防治工作奠定坚实的认识、理论和技术基础.
本书还可供 “自然保护与环境生态类 ”其他专业 (野生动物与自然保护区、农业资源与管理)、 “林学类 ”和 “草学类 ”相关专业本科生作为教学用书.也可作为相关学科研究生教学参考用书.对于在水土保持与荒漠化防治、土地利用、国土整治、环境保护等方面从事科学研究、教学、管理和生产实践人员.也可将本书作为参考用书之一.
在作为水土保持与荒漠化防治专业本科生教学用书时.教学学时分配为课堂讲授24学时.室内实验8学时.另外安排05周课程野外现场教学和实习.用于其他专业或不同层次人员培训使用时.可根据具体讲授内容适当增减学时数.
12 课程涉及范围及与其他课程关系
121 课程涉及范围
“土壤侵蚀原理 ”课程涉及水力学、水文学、土壤学、气象学、地貌学、植物学、生态学和岩土力学等内容.因此本课程要求先学习流体力学、地学、气象学、水文与水资源学、土壤学与土地资源学、生态学和岩土力学等课程.以便使学生能够较为全面地掌握本课程所授知识.
在理论教学中.以土壤侵蚀形式、土壤侵蚀发生发展规律和分析影响土壤侵蚀的自然因子为主.为学生学习水土保持与荒漠化防治专业的其他课程建立坚实的理论基础.使学生掌握调查、分析和监测水土资源及土壤侵蚀的基本技能.为进行独立的水土保持科学研究、从事水土保持管理和生产实践等奠定实践技术基础.
在课程实验和野外现场教学与实习等实践教学环节中.要求学生能够较为熟练地掌握在不同地质、地形、土壤、气象、植被等条件下土壤侵蚀调查与分析方法.并据以组织综合措施防治土壤侵蚀的发生与发展.改良、维护和提高土地生产力.在合理利用水土资源的同时.防治土壤侵蚀的发生和改善生态环境.
122 土壤侵蚀原理与其他课程关系
土壤侵蚀原理课程是水土保持与荒漠化防治专业本科教学课程体系中的一个重要组成部分.它与一些基础性、应用性科学等方面的课程均有不同程度的联系.在土壤侵蚀规律方面.它与影响土壤、地质、地形等自然因素紧密相关.在土壤侵蚀防治方面.随着新技术的不断应用.与许多学科发生了相互渗透、相互促进的作用.了解土壤侵蚀原理与其他课程关系.有助于更好地把握土壤侵蚀原理课程的自身性质及特点.
与气象学、水文学的关系.土壤侵蚀原理与气象学、水文学的关系主要体现在多种气象因素和不同气候类型对土壤侵蚀的直接或间接影响.这些因素有直接影响到水文特征的形成.在研究暴雨、洪水、风沙、干旱等自然灾害时.一方面要根据气象、气候对土壤侵蚀的影响以及径流、泥沙运行规律采取相应措施进行防治.使其变害为利.另一方面通过长期的土壤侵蚀综合治理.改变大气层的下垫面性状.对局部地区的小气候及水文特征会起到调节和改善作用.
与地学方面的关系.土壤侵蚀原理与地学的关系主要体现在地貌、地质及地理对土壤侵蚀量和土壤侵蚀过程的影响.同时.水力侵蚀、风力侵蚀、重力侵蚀及冻融侵蚀等土壤侵蚀过程在塑造地形中又都起着一定的作用.地面多种侵蚀地貌是影响土壤侵蚀的重要因素之一.也是土壤侵蚀参与作用的结果.它们是土壤侵蚀原理课程中主要研究的对象.土壤侵蚀与地质构造、岩石特性具有紧密关系.滑坡、泥石流等土壤侵蚀问题和土壤侵蚀防治工程措施涉及的地基、地下水等问题.又需要运用第四纪地质学及水文地质学、工程地质学等方面的专业知识.
与土壤学的关系.土壤侵蚀与土壤学及土地资源学的关系也是非常紧密的.土壤、母质及浅层基岩是土壤侵蚀作用和破坏的主要对象.不同的土壤具有不同的蓄水、透水和抗蚀能力.因此.改良土壤性状.提高土壤肥力对防治土壤侵蚀有着重要作用.
与水利科学的关系.土壤侵蚀与流体力学、水力学等课程的关系更为密切.无论是水力侵蚀、风力侵蚀还是重力侵蚀等导致的径流、泥沙、风沙流等.都与以上学科有紧密联系.在研究有关水力、风力、泥沙及风沙流等的运动规律时.土壤侵蚀原理着重研究从坡面到沟道、从上游到下游、从风力侵蚀地到风积地土壤侵蚀发生发展规律.而水利科学则着重研究径流、泥沙进入河流后的运行规律.
与环境科学的关系.土壤侵蚀与环境科学有着密切联系.土壤侵蚀所研究的问题正是山区、丘陵区和风沙区的生态环境问题.人为活动从不同方面对土壤侵蚀过程的影响.也会涉及区域环境问题.人们通过各种措施防治土壤侵蚀的发生和发展.实际上就是保护和改善生态环境.土壤侵蚀所导致的泥沙对水土资源的破坏、河道淤积等都是造成环境破坏和污染的重要方面.
13 土壤侵蚀在水土保持科学中的位置
土壤侵蚀研究是水土保持科学研究的基础.在水土保持科学中具有十分重要的位置.水土保持科学研究主要是从土壤侵蚀机理和治理两个方面来展开.一是土壤侵蚀机制研究.我国土壤侵蚀研究领域重点集中在四个方面 :土壤侵蚀调查与基础性、关键性科学问题研究.土壤侵蚀过程及其机理研究.土壤侵蚀与沟道河流泥沙输移及洪涝灾害关联研究.小流域综合治理配套技术研究.二是土壤侵蚀治理研究.科学家和劳动者通过不断研究总结控制土壤侵蚀的措施和方法.目前基本形成了四大类水土保持措施.即农业技术措施、工程技术措施、生物技术措施和管理措施.
14 土壤侵蚀危害及其对国民经济的影响
141 我国土壤侵蚀概况
土壤侵蚀是水土保持和荒漠化防治学科的重要基础和组成部分.它关系着山区、丘陵区及风沙区水土资源的开发、利用和保护.关系着江河、湖泊的利用和整治.涉及整个区域生态环境、经济持续发展和社会稳定.在国民经济建设中具有特殊的重要位置.
土壤侵蚀关系着国民经济的各个部门.土壤侵蚀属于自然灾害.它包含面蚀、沟蚀、崩塌、滑坡、山洪、泥石流和风沙危害等.给山区、丘陵区和风沙区的农业、工矿、交通及城镇带来巨大灾害.据统计.我国西南、西北地区常因这些灾害造成农田淤埋、桥梁被冲、厂矿被毁、道路中断等现象.风沙区的道路也常被风沙淹埋.给整个经济运转和区域经济发展造成极大困难.
我国是世界土壤侵蚀最严重的国家之一.其范围遍及全国各地.土壤侵蚀的成因复杂、危害严重.主要侵蚀类型有水力侵蚀、风力侵蚀、重力侵蚀、冻融侵蚀和冰川侵蚀等.根据2013年3月26日中华人民共和国水利部、中华人民共和国国家统计局发布的 .第一次全国水利普查公报全国 (未含香港特别行政区、澳门特别行政区和台湾地区 )土壤水力、风力侵蚀面积总计为294 91万ｋｍ2.其中.水力侵蚀面积为129 32万ｋｍ2.风力侵蚀面积为165 59万ｋｍ2.另外还有冻融侵蚀面积66 10万ｋｍ2.
土壤侵蚀的发生除受到自然因素影响外.另一重要原因就是人类不合理活动.虽然经过几十年的不断努力.土壤侵蚀的综合治理也取得了显著成效.但由于毁林开荒、陡坡耕种、过量采伐林木、过度放牧和工矿建设中的不合理活动等.导致土壤侵蚀面积和侵蚀程度不断扩大加剧的趋势逐渐得到缓解和遏制.
142 土壤侵蚀危害
土壤侵蚀直接影响到水、土资源的开发、利用和保护问题.水土资源是人类生存最基本的条件.由于人口数量的增长.耕地资源相对减少.而社会需求日益增加.
据统计.1950 ~1990年.我国耕地平均受灾面积达032亿ｈｍ2(4 8亿亩 1).约占总耕地面积的32％.我国又是泥石流、崩塌、滑坡、地震等灾害发生的较多的国家.平均每年因此类灾害所造成的损失高达人民币200亿元以上.
长江是中国的第一大河流.流域总面积180 7万ｋｍ2.占中国国土总面积的18 83％.养育着全国30％以上的人口.由于人口增长对土地形成的压力.再加之长期过量采伐森林.目前长江流域的森林覆盖率仅为20 3％.森林覆盖率的减少导致土壤侵蚀面积不断扩大.长江的多年输沙量达514亿ｔ /A.1998年8 ~9月长江流域发生历史上罕见的洪水灾害.其原因一是因长江中上游持续长时间的较强降雨过程.加剧了长江中下游干流全线洪水水位的长时间居高不下.二是严重土壤侵蚀导致河流、湖泊淤积抬升.导致其行洪、蓄洪能力降低.由于土壤侵蚀严重.长江流域年均土壤侵蚀量高达24亿ｔ.严重的土壤侵蚀导致大量泥沙下泻淤积在江河湖泊内.使得河床抬高、湖面面积减小水深降低.导致河床行洪能力降低、湖泊蓄洪能力下降.20世纪50年代初期长江中下游的湖泊面积为258万ｋｍ2.由于泥沙淤积每年湖面面积平均减少400多平方公里.
在黄河流域.由于其中、上游处于干旱和半干旱地区.年降雨量多在200 ~500ｍｍ.地表植被稀少.涵养水源作用急剧降低.再加之气候和水资源利用上存在的不合理等问题.导致黄河断流现象屡屡发生.1998年黄河断流达到217天.黄河流域土壤侵蚀总面积为45万ｋｍ2.其中有严重土壤侵蚀面积15 6万ｋｍ2.侵蚀模数达05万 ~3万ｔ/(ｋｍ2A).严重土壤侵蚀区是黄河下游泥沙的主要来源.黄河多年平均输沙量为16亿ｔ/A.为世界上输沙量最高的河流之一.
在联合国环境与发展大会上许多专家认为.土壤侵蚀和荒漠化的危害可以从三个层次上来认识.从全球来看.土壤侵蚀和荒漠化对生态系统中的气候因素造成不利影响.破坏生态平衡.引起生物物种的损失并导致政治上的不稳定.从一个国家来看.土壤侵蚀和荒漠化引起国家经济损失.破坏能源及粮食生产.加剧贫困.引起社会的不安全.对一个局部地区来说.土壤侵蚀和荒漠化破坏土地资源及其他自然资源.使土地退化.妨碍经济及社会的发展.
由此可以看出.土壤侵蚀与荒漠化的危害已不是局部问题.它危及全人类的生存、社会稳定和经济发展.土壤侵蚀的危害具体表现在以下几个方面.
1421 破坏土地.吞食农田
西北黄土区、东北黄土区和南方花岗岩 “崩岗 ”地区土壤侵蚀最为严重.黄土高原的侵蚀沟头一般每年前进1 ~3ｍ.宁夏回族自治区固原县在1957 ~1977年的20年内.平均每年损失土地333多公顷(5000多亩).吉林省浑江市的坡耕地已被沟壑吞蚀4800ｈｍ2(7 2万亩).占耕地总面积的15％.黑龙江省的黑土区有大型冲沟14 4万条.已吞蚀耕地933万ｈｍ2(140多万亩).自新中国成立以来辽宁省12个市由于土壤侵蚀已损失土地71 2万ｈｍ2(1068万
亩).新中国成立以来.长江中上游许多地方由于土壤侵蚀导致的 “石化 ”面积急剧发展.贵州省六盘水市水城特区平均每年 “石化 ”面积增加2100ｈｍ2(3 2万亩).重庆市的万县平均
11亩≈0 067ｈｍ2
每年 “石化 ”面积增加2500ｈｍ2(3 75万亩).陕西省安康市平均每年 “石化 ”面积增加近700ｈｍ2(1 0万亩).湖北省的秭归县平均每年 “石化 ”面积增加400ｈｍ2(6000亩).
在湖北省勋西县、四川省会理县等地.有些坡耕地表层土壤全部流失.群众无法生活.被迫迁居外地.山东省目前坡耕地的 “石化 ”面积已有16 13万ｈｍ2(242万亩).坡面的土壤侵蚀造成下游农田水冲沙压.坡耕地被迫弃耕.据广西壮族自治区苍梧、岑溪、百色等10个县的调查.常受泥沙淤埋的农田达084万ｈｍ2(12 6万亩).这10个县每年因此而损失的粮食达1600万ｋｇ.
严重的土壤侵蚀导致土地 “沙化”.在我国西北干旱草原和与风沙区相邻的黄土丘陵区.常因风力侵蚀危害造成土地 “沙化 ”现象.宁夏回族自治区1961年有沙化土地面积18 87万ｈｍ2(283万亩).1983年增加到25 86万ｈｍ2(388万亩).22年内平均每年增加032万ｈｍ2(4 8万亩).地跨陕西省与内蒙古自治区的神府 —东胜煤田.1977年 “沙化 ”土地面积为10372ｋｍ2.1996年发展到13259ｋｍ2.20年内损失土地2887ｋｍ2(433万亩).土地沙化面积占土地总面积的比例由64 0％增加到81 8％.
1422 降低土壤肥力.加剧干旱发展
土壤中含有大量氮、磷、钾等各种营养物质.土壤流失也就是肥料的流失.我国东北地区辽宁、吉林、黑龙江三省共有坡耕地561 47万ｈｍ2(8422万亩).因土壤侵蚀每年损失氮92 4万ｔ、磷39 9万ｔ、钾184 4万ｔ.据湖北省有关部门观测分析.坡耕地每年流失土壤约21亿ｔ.其中含有机质273万ｔ.氮、磷、钾等养分231万ｔ.
坡耕地水、土、肥流失后.土地日益瘠薄.田间持水能力降低.加剧了干旱发展.据统计全国多年平均受旱面积约1960万ｈｍ2(2 94亿亩).成灾面积约673 3万ｈｍ2(1 01亿亩).据甘肃省18个干旱县1933 ~1976年44年的资料分析结果.降水量正常年为11年.占25％.干旱年与大旱年为17年.占38 6％.涝年与偏涝年为16年.占36 4％.而且随着土壤侵蚀的增加旱情有不断增加的趋势.
1423 淤积抬高河床.加剧洪涝灾害
土壤侵蚀使大量坡面泥沙搬运后沉积在下游河道.削弱了河床泄洪能力.加剧了洪水危害.新中国成立以前有记载的2000多年历史中.黄河决口泛滥1500多次.大改道26次.每次决口泛滥都造成房舍淹没、田园荒废、人畜死亡.1933年大洪水中.黄河下游两岸大堤决口56处.淹没了河南、河北、山东三省67个县.受灾面积11万ｋｍ2.灾民364万人.死亡18000多人.直接经济损失折合人民币32亿元.新中国成立以来.黄河下游河床平均每年淤高8 ~10ｃｍ.目前很多地段已高出两岸地面4 ~10ｍ.成为地上 “悬河”.
近几十年来.包括我国长江在内的全国各地都有类似黄河的情况.随着土壤侵蚀的日益加剧.各地大、中、小河流的河床淤高和洪涝灾害也日趋严重.1998年7 ~8月发生在长江干流、松花江流域的特大洪水灾害给国家造成了数亿元的损失.在很大程度上说明了由于土壤侵蚀造成河床淤高、行洪能力下降导致洪水危害不断增大的问题.
1424 淤塞水库湖泊.影响开发利用
新中国成立以来.山西省修建的大、中、小型水库共有40多亿立方米库容.由于土壤侵蚀平均每年损失库容约1亿ｍ3.内蒙古自治区46座水库已淤积8亿ｍ3.占总库容的45 5％.山西省汾河水库库容726亿ｍ3.已淤积32亿ｍ3.严重影响到太原市供水和15万ｈｍ2(225万亩 )农田的灌溉.四川省龚嘴水电站库容36亿ｍ3.原设计为蓄水发电的水利枢纽.但1976年水库建成后.1987年就被泥沙淤满.不得不改为径流发电.甘肃省碧口水电站521亿ｍ3的库容.1975年建成后到1987年已淤积50％.山东省共兴建小型水库和山塘共36810座.总库容41 4亿ｍ3.现已淤积25 5亿ｍ3.占总库容的61 7％.辽宁省有大、中、小型水库1033座.总兴建库容52 1亿ｍ3.现已淤积68亿ｍ3.占总库容的13％.在733座小型水库中.已有106座由于淤积而报废.初步估计全国各地由于土壤侵蚀而损失的各类水库、山塘等库容历年累计在200亿ｍ3以上.
长江中游的洞庭湖在清代道光年间面积为6270ｋｍ2.由于土壤侵蚀导致的泥沙淤积.加之沿湖围垦等.1949年湖面面积缩小至4350ｋｍ2.1993年又缩小到3641ｋｍ2.同时由于湖底因泥沙淤积而升高.使得其容量减少了40％.严重影响了洞庭湖的缓洪能力和湖周的生态环境.1998年长江干流发生的特大洪水灾害与之有着密切关系.
1425 影响航运.破坏交通安全
由于土壤侵蚀造成河道、港口的淤积.致使航运里程和泊船吨位急剧降低.而且每年汛期由于水土流失形成的山体塌方、泥石流等造成的交通中断.在全国各地时有发生.据统计.1949年全国内河航运里程为15 77万ｋｍ.到1985年减少为10 93万ｋｍ.1990年又减少为7万多公里.已经严重影响到内河航运事业的发展.
1426 土壤侵蚀与贫困形成恶性循环
中国大部分地区土壤侵蚀是由陡坡开荒、破坏植被造成的.且逐渐形成了 “越垦越穷.越穷越垦 ”的恶性循环.这种情况是历史遗留下来的.1949年以后.人口增加更快.土壤侵蚀与贫困同步发展.如不及时扭转.土壤侵蚀面积日益扩大、自然资源日益枯竭、人口日益增多、群众贫困日益加深的后果将不堪设想.
15 土壤侵蚀发展历史与现状
151 国际发展简史与现状
全球遭受土壤侵蚀的面积大约为1642万ｋｍ2.其中水力侵蚀面积1094万ｋｍ2.风力侵蚀面积578万ｋｍ2.水力侵蚀危害最严重的地区位于50°Ｎ ~40°Ｓ (干旱沙漠和赤道森林除外).特别是美国、俄罗斯、澳大利亚、中国、印度以及南美洲、非洲北部的一些国家.风力侵蚀危害最大地区是美国大平原、非洲撒哈拉沙漠和卡拉哈里沙漠、中国西北部及澳大利亚中部.
对于全世界土壤侵蚀发展过程.目前国际上尚无统一看法.仅就欧洲、美国、日本和澳大利亚的土壤侵蚀科学发展情况进行简单介绍.
1511 欧洲
欧洲防治山洪、泥石流、滑坡等自然灾害最早是从阿尔卑斯山区各国开始.然后推向全欧洲.1884年.奥地利制定了世界第一部有关防止土壤侵蚀的 .荒溪治理法总结出一套
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